(沈陽發(fā)動機研究所，沈陽 110015)

0 引言

換熱器是一種制造技術(shù)相對成熟的設(shè)備，在工業(yè)設(shè)備中被大量應(yīng)用，國內(nèi)外都有完善的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[1-2]，如：美國的TEMA、ASME標(biāo)準(zhǔn)、英國BS標(biāo)準(zhǔn)、法國CODAP標(biāo)準(zhǔn)、德國AD標(biāo)準(zhǔn)、日本JIS B 8243標(biāo)準(zhǔn)、中國的GB/T 151。在航空發(fā)動機的間冷回?zé)嵯到y(tǒng)、預(yù)冷系統(tǒng)中換熱器也廣泛被應(yīng)用[3-4]。德國某公司研制的緊湊型航空發(fā)動機換熱器，如圖1所示，該換熱器是由兩條集氣管和若干個U形管組成；俄羅斯較早開展航空發(fā)動機換熱器的研究及應(yīng)用工作，圖2為AЛ-31ФH發(fā)動機換熱器。

一直以來，換熱器的換熱性能是國內(nèi)學(xué)者關(guān)注的一個主要問題，相關(guān)仿真、試驗工作多圍繞換熱性能開展[5-9]。航空發(fā)動機換熱器由于壓力、溫度、振動環(huán)境等工作載荷更惡劣，除實現(xiàn)換熱性能指標(biāo)外，工作可靠性也是要考慮的重要方面。雖然可以通過數(shù)值仿真方法獲得結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平[10]，但仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性最終還需要通過強度試驗來驗證。相關(guān)文獻進行過換熱器壓力試驗[11-12]、模態(tài)試驗[13]等研究工作，但關(guān)于航空發(fā)動機換熱器要開展的強度試驗項目、試驗載荷如何確定、各個試驗項目按照什么順序開展等問題仍不明確。

圖1 某緊湊型航空發(fā)動機換熱器

圖2 AЛ-31ФH發(fā)動機換熱器

本文對換熱器相關(guān)的民用、軍用標(biāo)準(zhǔn)[14-17]進行搜集、整理和研究解讀，從中梳理出航空發(fā)動機換熱器需要開展的強度試驗項目及方法，重點對在多個標(biāo)準(zhǔn)中涉及而要求不同的耐壓試驗進行解讀，并對其他試驗項目的必要性、注意的問題等進行說明。

1 強度試驗項目梳理

GB/T 151[14]是換熱器的國家標(biāo)準(zhǔn)，包含換熱器設(shè)計、制造、檢驗、驗收等要求，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定換熱器需開展的試驗有兩項：泄漏試驗、耐壓試驗。其中泄漏試驗屬于檢查性質(zhì)、耐壓試驗屬于強度試驗項目。

換熱器在航空發(fā)動機中一般作為附件，GJB 241A[15]中發(fā)動機附件試驗章節(jié)4.4.2.2.3，4.4.2.2.4規(guī)定了4項附件模擬工作試驗、3項附件環(huán)境試驗，而后，4.4.2.2.5節(jié)又對特殊的附件提出了具體試驗項目，其中對換熱器提出了2項試驗項目，均為強度試驗(見圖3)。

圖3 航空發(fā)動機換熱器強度試驗項目

圖3試驗項目中“附件模擬工作試驗”與“流量、壓力、溫度循環(huán)試驗”都是模擬實際工作狀態(tài)進行的循環(huán)試驗，而且都要求試驗在不同的環(huán)境溫度下開展，因此換熱器完成“流量、壓力、溫度循環(huán)試驗”后即相當(dāng)于完成了“附件模擬工作試驗”中的4個試驗項目。

綜合上述要求后，航空發(fā)動機換熱器需開展的強度試驗項目簡化為5項：耐壓試驗、恒加速度試驗、沖擊試驗、振動試驗、循環(huán)試驗。以下分別對每個試驗項目進行研究解讀。

2 強度試驗項目解讀

2.1 耐壓試驗

按照GB/T 151要求，根據(jù)實際工作介質(zhì)形式，耐壓試驗的試驗壓力如下。

(1)液壓試驗。

pT=1.25Pα

(1)

式中pT——試驗壓力，MPa；

P——設(shè)計壓力(允許使用的最高壓力，是工作壓力的上限值)，MPa；

α——載荷系數(shù)，對于內(nèi)壓容器α為溫度修正系數(shù);對于外壓容器α取1。

(2)氣壓試驗或氣液組合試驗。

pT=1.1Pα

(2)

若換熱器有2個或2個以上壓力室，每個壓力室的試驗壓力按其設(shè)計壓力確定，各壓力室分別進行耐壓試驗。對于外壓容器試驗?zāi)康氖球炞C密封性能，不是考察容器穩(wěn)定性，標(biāo)準(zhǔn)中要求以內(nèi)壓進行試驗，試驗壓力取式(1)，(2)與0.1 MPa中的較小值。

GJB 241A中對換熱器耐壓試驗要求分2個階段：首先分別在換熱器的每個壓力腔至少連續(xù)2次施加2倍的最大工作壓力，每次保持2 min，不應(yīng)有漏油跡象；然后同時在換熱器的2個壓力腔，至少連續(xù)2次施加最大工作壓力，每次保持2 min，不應(yīng)有漏油跡象或永久變形。

對比上述兩種標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于耐壓試驗的要求，發(fā)現(xiàn)以下情況。(1)兩者對于壓力腔的考核順序有差別。GB/T 151只要求每個腔分別加壓考核；GJB 241A要求先每個腔分別加壓考核，然后再對各腔同時加壓考核。(2)兩者使用的壓力載荷有差別。GB/T 151用設(shè)計壓力乘以相應(yīng)系數(shù)；GJB 241A用工作壓力乘以相應(yīng)系數(shù)。(3)兩者對試驗次數(shù)要求有差別。GB/T 151對試驗次數(shù)無要求；GJB 241A要求試驗重復(fù)2次。(4)兩者對試驗保載時間要求有差別。GB/T 151對保載時間無要求；GJB 241A規(guī)定保載時間2 min。

根據(jù)上述對相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的對比分析，按照航空發(fā)動機零部件試驗“苛刻考核以確保安全工作”的原則，航空發(fā)動機換熱器耐壓試驗建議：試驗載荷使用兩個標(biāo)準(zhǔn)中計算出的較大載荷；試驗次數(shù)重復(fù)2次；保載時間2 min；通過標(biāo)準(zhǔn)為“無漏油跡象或永久變形”。

2.2 恒加速度試驗

航空發(fā)動機換熱器隨飛機進行正常加減/速、機動飛行時會產(chǎn)生過載系數(shù)，另外極端的飛機墜撞過程也會產(chǎn)生更大過載系數(shù)。

恒加速度試驗的目的在于驗證換熱器承受這兩類過載之后不破裂或不從固定架上脫落的能力。需要注意的是，該試驗中的恒加速度施加足夠慢，且在一段足夠長時間內(nèi)保持不變，不會在換熱器上產(chǎn)生動態(tài)響應(yīng)，因此試驗本質(zhì)上是按照恒加速度(過載系數(shù))計算出對應(yīng)載荷進行的靜力試驗。由于航空發(fā)動機換熱器體積較小、重量有限，過載系數(shù)產(chǎn)生的危害對換熱器本身影響應(yīng)該不大，因此本試驗重點是驗證換熱器固定架的承載能力。

試驗的具體實施參照GJB 150[16]第15部分。

2.3 沖擊試驗

沖擊試驗一方面是評估換熱器的結(jié)構(gòu)和功能承受裝卸、運輸和使用環(huán)境不常發(fā)生的非重復(fù)沖擊的能力；另一方面測試換熱器固定裝置的強度。由于航空發(fā)動機換熱器體積重量較小，裝卸、運輸?shù)犬a(chǎn)生的沖擊一般危害性較小，沖擊試驗重點驗證的是固定裝置的可靠性。

對于新研制的航空發(fā)動機換熱器，沒有可參考的沖擊試驗數(shù)據(jù)，建議在其他試驗項目前安排沖擊試驗，這樣若試驗不通過，可以在其他試驗前重新對結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，節(jié)省研制周期和費用。

試驗的具體實施參照GJB 150第18部分。

2.4 振動試驗

航空發(fā)動機換熱器在運行時經(jīng)歷的振動大多數(shù)是寬帶振動，振動在相對寬的頻率范圍內(nèi)所用頻率上都存在，而且強度是變化的。一般隨機振動最適合模擬這些環(huán)境，也有隨機加正弦或只有正弦振動的情況。因此換熱器振動環(huán)境試驗可以采用的方法包括：寬帶隨機振動、正弦掃描振動、共振頻率正弦振動。

GJB 150第16部分、HB 5830.5[17]都規(guī)定振動試驗包括功能試驗與耐久試驗兩部分。功能試驗驗證的是換熱器在最惡劣環(huán)境條件載荷下具有工作能力的持續(xù)時間；耐久試驗驗證的是換熱器在設(shè)計壽命內(nèi)保持工作的能力。兩種標(biāo)準(zhǔn)都只給出了耐久試驗參考載荷譜，沒有提供功能試驗載荷譜，而在工程實際過程中功能試驗需要的“最惡劣環(huán)境條件載荷”是存在但不易獲取的，因此一般使用耐久試驗載荷譜代替功能試驗載荷譜。此方法存在考核不充分的問題，實際中出現(xiàn)振動臺考核試驗通過，而裝機使用后暴露出振動破壞的問題，建議結(jié)合發(fā)動機實際振動環(huán)境確定耐久試驗載荷與功能試驗載荷的換算關(guān)系。另外，考慮到試驗周期長短問題，可以將試驗載荷譜進行縮小/放大，但最大使用量級不能超過功能試驗量級。

兩種標(biāo)準(zhǔn)提供了不同的參考載荷譜供試驗使用，但GJB 150對載荷譜沒有明確試驗時間、HB 5830.5對其載荷譜提出了明確的時間要求。通過對比兩種標(biāo)準(zhǔn)對于噴氣飛機的振動環(huán)境譜,GJB 150第16部分中“圖C.8”及HB 5830.5中“圖3 A級”，可以發(fā)現(xiàn)兩者譜相同，據(jù)此推斷他們的試驗時間要求也應(yīng)該相同。

GJB 150提供的功率譜密度主要能量集中在轉(zhuǎn)子基頻和倍頻成分，高能量區(qū)低于1000 Hz，在1000 Hz以上頻段振動能量很低。HB 5830.5提供的功率譜密度在300～1000 Hz頻段的能量較大，為典型的寬帶隨機信號，適用于固有頻率相對分散的成附件。HB 5830.5提供的正弦掃描振動譜適用于具有周期性振動激勵特征的成附件。具體到航空發(fā)動機換熱器振動試驗載荷譜，建議優(yōu)先考慮在發(fā)動機相應(yīng)位置實際測量，若不能實測，再根據(jù)換熱器模態(tài)特點選擇標(biāo)準(zhǔn)中合適的載荷譜。

2.5 循環(huán)試驗

GJB 241A要求航空發(fā)動機換熱器進行流量、壓力和溫度循環(huán)試驗。試驗要模擬的是真實的工作狀態(tài)，是與實際工作時載荷條件相同的狀態(tài)。

在試驗次數(shù)方面，要求換熱器按照1倍設(shè)計壽命進行循環(huán)試驗，原因在于試驗載荷峰值使用的是工作包線中的最大值，此載荷已經(jīng)充分考慮了壽命期內(nèi)其余各個工作循環(huán)載荷差異性、分散性，并可以保證一定的壽命儲備。

對于試驗環(huán)境溫度，換熱器循環(huán)試驗要求分別在常溫、高溫環(huán)境中進行，其中25%循環(huán)數(shù)在換熱器的最高極限環(huán)境溫度下進行；75%循環(huán)數(shù)在常溫環(huán)境下進行。由于材料在高溫、低溫具有不同的性能(延伸率、彈塑性差異等)，高溫試驗不推薦折算到常溫下進行。

3 結(jié)語

標(biāo)準(zhǔn)研究結(jié)果表明，航空發(fā)動機換熱器耐壓試驗中載荷需要采用不同標(biāo)準(zhǔn)中的較大值，同時要有重復(fù)次數(shù)及保載時間；需要開展5項強度試驗；各試驗項目順序推薦如下：沖擊試驗、振動試驗、循環(huán)試驗、耐壓試驗、恒加速度試驗。部分試驗載荷需要進一步考慮溫度修正、材料修正。研究結(jié)論可作為航空發(fā)動機換熱器強度試驗的參考依據(jù)。